Mikrodalga destekli reaktörde pilot ölçekli rafine ve atık ayçiçek yağından biyodizel üretimi

Abstract

Kimyasal bir reaksiyon olan transesterifikasyon, biyodizel üretiminde en yaygın kullanılan yöntemdir. Mikrodalga ısıtma sistemi kullanılarak gerçekleştirilen transesterifikasyon reaksiyonlarında, konvansiyonel sistemlere kıyasla büyük oranda hız ve verim artışı sağlandığı bilinmektedir. Yapılan literatür taramasında, mikrodalga teknolojisi ile gerçekleştirilen biyodizel üretimlerinin yalnızca laboratuvar ölçeklerinde sınırlı kaldığı, henüz pilot ya da büyük ölçekte bir üretimin gerçekleştirilemediği görülmüştür. Bu çalışmada; tasarlanıp imal edilen mikrodalga destekli biyodizel reaktörü kullanılarak, bazik transesterifikasyon yöntemi ile mikrodalga ışıma altında rafine ve atık ayçiçek yağlarından pilot ölçekte biyodizeller üretilmiştir. Deneylerde sabit reaksiyon koşulları (6:1 molar metanol:yağ, %1.0 KOH (mKOH/myağ), 60⁰C) altında  reaksiyon süresinin transesterifikasyon tamamlanma oranı ve temel biyodizel özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca, rafine ayçiçek yağından hem mikrodalga ışıma altında, hem de reaktördeki konvansiyonel ısıtma sistemi (elektrikli rezistans) kullanılarak biyodizel numuneleri üretilmiş, böylece iki metodun net olarak kıyaslanması sağlanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; mikrodalga ısıtma sistemi kullanımında rafine ayçiçek yağı transesterifikasyonun 5 dakika sonunda tamamlandığı, konvansiyonel ısıtma sistemi kullanımında ise 60 dakika sonunda dahi yeterli ester içeriğine sahip biyodizelin üretilemediği ve reaksiyonun tamamlanabilmesi için daha uzun reaksiyon sürelerine ihtiyaç duyulduğu tespit edilmiştir. Atık ayçiçek yağı kullanımında ise belirlenen reaksiyon koşullarında istenen düzeyde dönüşümünün sağlanamadığı, ancak literatürdeki benzer konvansiyonel transesterifikasyon reaksiyonlarına göre çok daha kısa sürede ve daha yüksek verimle metil ester elde edilebildiği gözlemlenmiştir.

Keywords

• Rafine ayçiçek yağı,atık ayçiçek yağı,mikrodalga,biyodizel

Pilot scale biodiesel production from refined and waste sunflower oils in microwave assisted reactor

Abstract

Transesterification, which is a chemical reaction, is the most commonly used method in biodiesel production. It is known that in transesterification reactions, using microwave heating system increases the reaction rate and efficiency in comparison with the conventional systems. According to the literature review, it is seen that biodiesel productions using microwave technology are limited only with the laboratory scales, and no pilot or large scale productions have not been realized yet. In this study, pilot scaled biodiesels are produced from refined and waste sunflower oils with base-catalyzed transesterification method under microwave irradiation by using the designed and manufactured microwave assisted reactor. In the experiments, under constant reaction conditions (6: 1 molar methanol:oil, 1.0% KOH (mKOH/myağ), 60 ºC), the effect of the reaction time on the transesterification completion rate and the main biodiesel properties are examined. In addition, the biodiesel samples are produced from refined sunflower oil both with the microwave system and conventional heating system (by electric resistance) which is located in the reactor, thus a clear comparison of the two methods is obtained. According to the results, it is found that the refined sunflower transesterification is completed at the end of the 5 minutes by using microwave heating system, however the biodiesel having desired ester content level can not be produced even in 60 minutes, and longer reaction times are needed in order to complete the reaction by using conventional heating system. It is also observed that with the use of waste sunflower oil, under the defined reaction conditions, the conversion at the desired level cannot be achieved, however the methyl esters can be obtained in a much shorter time and in a higher efficiency than the similar conventional transesterification reactions existing in the literature.

Keywords

• Refined sunflower oil,waste sunflower oil,microwave,biodiesel.

References

1. Karabaş, H., Ayçiçek yağı metil esterinin donma ve parlama noktaları üzerine etkili olan parametrelerin belirlenmesi, Toprak Su Dergisi, 2(1), (2013).
2. Fernando, S., Hall, C.,Jha, S., NOx reduction from biodiesel fuels, Energy & Fuels, 20(1), 376-382, (2006).
3. Freedman, B., Pryde, E.,Mounts, T., Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils, Journal of the American Oil Chemists' Society, 61(10), 1638-1643, (1984).
4. Özsezen, A.N. ve Çanakçi, M., Biyodizel ve karışımlarının kullanıldığı bir dizel motorda performans ve emisyon analizi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15(2), 173-180, (2009).
5. Knothe, G., Current perspectives on biodiesel, Palmas (Colombia), (2003).
6. Şanlı, H. ve M. Çanakçı, Dizel motorlar için yükselen bir alternatif yakıt: biyodizel, http://www.emo.org.tr/ekler/48a38cd25abeab0_ek.pdf, (14.01.2018).
7. Meher, L., Sagar, D.V.,Naik, S., Technical aspects of biodiesel production by transesterification—a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10(3), 248-268, (2006).
8. Kanitkar, A., Balasubramanian, S., Lima, M.,Boldor, D., A critical comparison of methyl and ethyl esters production from soybean and rice bran oil in the presence of microwaves, Bioresource technology, 102(17), 7896-7902, (2011).

9. Nomanbhay, S. ve Ong, M.Y., A review of microwave-assisted reactions for biodiesel production, Bioengineering, 4(2), 57, (2017).
10. Motasemi, F. ve Ani, F.N., A review on microwave-assisted production of biodiesel, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16(7), 4719-4733, (2012).
11. Kuşlu, S. ve Bayramoğlu, M., Mikrodalgalar ile materyaller arasındakitermal olan ve olmayan etkileşimlerin incelenmesi ve mikrodalga kimyası, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 8(3), 395-405, (2002).
12. Jermolovicius, L.A., et al., Microwave fast-tracking biodiesel production, Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 122, 380-388, (2017).
13. Hernando, J., Leton, P., Matia, M.P., Novella, J.,Alvarez-Builla, J., Biodiesel and FAME synthesis assisted by microwaves: homogeneous batch and flow processes, Fuel, 86(10), 1641-1644, (2007).
14. Azcan, N. ve Danisman, A., Alkali catalyzed transesterification of cottonseed oil by microwave irradiation, Fuel, 86(17), 2639-2644, (2007).
15. Encinar, J., Gonzalez, J., Martínez, G., Sánchez, N.,Pardal, A., Soybean oil transesterification by the use of a microwave flow system, Fuel, 95, 386-393, (2012).
16. Suryanto, A., Suprapto, S.,Mahfud, M., The production of biofuels from coconut oil using microwave, Modern Applied Science, 9(7), 93, (2015).
17. Dubé, M., Tremblay, A.,Liu, J., Biodiesel production using a membrane reactor, Bioresource technology, 98(3), 639-647, (2007).
18. Robinson, R.K., Encyclopedia of Food Microbiology. Academic press. (2014).
19. Bitkisel Üretim İstatistikleri, (2017). https://biruni.tuik.gov.tr/bitkiselapp/bitkisel.zul, (26 Nisan 2017),
20. Shahbazi, M.R., Khoshandam, B., Nasiri, M.,Ghazvini, M., Biodiesel production via alkali-catalyzed transesterification of Malaysian RBD palm oil–characterization, kinetics model, Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, 43(4), 504-510, (2012).
21. Pullen, J. ve Saeed, K., Investigation of the factors affecting the progress of base-catalyzed transesterification of rapeseed oil to biodiesel FAME, Fuel Processing Technology, 130, 127-135, (2015).
22. Wang, Y., Ou, S., Liu, P., Xue, F.,Tang, S., Comparison of two different processes to synthesize biodiesel by waste cooking oil, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, 252(1), 107-112, (2006).
23. Karabaş, H., Ayçiçek yağı biyodizelinin ester dönüşüm oranı üzerine etkili olan parametrelerin optimizasyonu, Adnan Menderes Üniv. Ziraat Fakültesi Dergisi, 10(1), 1-5, (2013).
24. Alptekin, E. ve Canakci, M., Characterization of the key fuel properties of methyl ester–diesel fuel blends, Fuel, 88(1), 75-80, (2009).
25. Chen, K.-S., Lin, Y.-C., Hsu, K.-H.,Wang, H.-K., Improving biodiesel yields from waste cooking oil by using sodium methoxide and a microwave heating system, Energy, 38(1), 151-156, (2012).
26. Leung, D. ve Guo, Y., Transesterification of neat and used frying oil: optimization for biodiesel production, Fuel Processing Technology, 87(10), 883-890, (2006).
27. Dias, J.M., Alvim-Ferraz, M.C.,Almeida, M.F., Comparison of the performance of different homogeneous alkali catalysts during transesterification of waste and virgin oils and evaluation of biodiesel quality, Fuel, 87(17), 3572-3578, (2008).
28. Tomasevic, A. ve Siler-Marinkovic, S., Methanolysis of used frying oil, Fuel Processing Technology, 81(1), 1-6, (2003).
29. Rashid, U., Anwar, F., Moser, B.R.,Ashraf, S., Production of sunflower oil methyl esters by optimized alkali-catalyzed methanolysis, Biomass and bioenergy, 32(12), 1202-1205, (2008).
30. Özsezen, A., Atık palmiye yağından üretilen biyodizelin motor performans ve emisyon karakterleri üzerine etkisinin incelenmesi. Doktora Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, (2007).
31. Canakci, M. ve Özsezen, A.N., Evaluating waste cooking oils as alternative diesel fuel, Gazi University Journal of Science, 18(1), 81-91, (2005).
32. Atapour, M., Kariminia, H.-R.,Moslehabadi, P.M., Optimization of biodiesel production by alkali-catalyzed transesterification of used frying oil, Process Safety and Environmental Protection, 92(2), 179-185, (2014).
33. Sabudak, T. ve Yildiz, M., Biodiesel production from waste frying oils and its quality control, Waste Management, 30(5), 799-803, (2010).
34. Demir, B., Küçük ölçekli bir biyodizel sisteminin oluşturulması, elde edilen pamuk yağı metil esterin motor performans testleri, enerjetik ve ekserjetik değerlendirilmesi, Doktora Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Güneş Enerjisi Anabilim Dalı, (2009).